纤维增强聚合物（FRP）体系，特别是采用碳纤维（CFRP）的体系，被广泛用于加固现有混凝土结构。虽然外部粘贴CFRP可以显著提高抗弯和抗剪承载力，但其有效性常因过早从混凝土基材上剥离而受到限制。在许多设计场景中，尤其是需要高应变水平或基材较弱时，机械锚固系统成为延缓或防止剥离的必要手段，使CFRP达到其全部抗拉强度。本文讨论了用于CFRP片材和板材的机械锚固类型、作用原理，以及依据ACI 440.2R等公认设计指南进行应用的时机和指导原则。
机械锚固应对的破坏模式
外部粘贴CFRP的主要破坏模式是剥离，可能发生在混凝土-环氧界面、混凝土保护层内或CFRP-环氧界面。即使表面处理得当且胶粘剂选择正确，剥离仍会在高应力集中处（通常位于层板端部或弯曲裂缝处）萌发。机械锚固旨在通过提供额外的荷载传递路径或将CFRP夹紧在基材上，抑制这些剥离机制。无锚固时，设计规范将CFRP的有效应变限制在约0.5–0.7%，而机械锚固可使应变接近材料的极限能力（通常>1.5%）。
CFRP用机械锚固类型
FRP钉销锚栓（丝束锚栓）：由浸渍环氧的碳纤维丝束捆扎而成，插入预钻孔中，并在CFRP表面展开成扇形。锚栓通过孔内的粘结和机械互锁将荷载从CFRP传递到混凝土。安装相对简便，适用于片材和板材，为层板提供三维约束。
FRP U形箍锚固：用于抗剪加固或抗弯端部锚固时，可将环绕截面的U形箍与嵌入式锚栓或水平板条结合使用，以防止剥离。这种方法对梁和柱有效，通常与端部沟槽锚固配合使用。
钢板和螺栓：如将钢板用螺栓穿过CFRP固定在混凝土上，提供直接的力传递机制。这些用于层板端部或关键截面，但需注意细节处理，避免压碎CFRP并适应热效应。
沟槽锚固（近表面安装）：一种变体是将CFRP板条端部嵌入混凝土中切割的浅槽内，并填充环氧树脂。沟槽提供侧向约束和机械互锁，与仅表面粘结相比，显著提高了发展长度。
设计考虑与布置
机械锚固最有效的布置位置是CFRP层板端部（防止端部剥离）或中间位置（控制中间裂缝引发的剥离）。锚栓的数量、间距和埋深必须经过设计以发展所需力。对于钉销锚栓，直径（通常为6–12 mm的纤维束）和埋深（通常50–75 mm）决定承载力。钢板需设计以避免CFRP承压破坏并均匀分布夹紧力。ACI 440.2R等指南基于混凝土强度和锚栓几何尺寸提供了锚栓承载力设计公式，并应用了分项安全系数。
布置规则：锚栓应距层板边缘至少25 mm，以避免边缘劈裂。对于多个锚栓，间距不应超过锚栓直径的4倍或层板厚度的6倍。在抗弯加固中，端锚常辅以靠近支座的抗剪锚栓以抵抗剥离应力。
安装方法与质量控制
FRP钉销锚栓安装：（1）在混凝土基材上钻规定直径（约为锚栓直径的1.5–2倍）的孔；彻底清洁孔洞。（2）用环氧浸渍碳纤维丝束，插入至所需深度；让扇形部分覆盖CFRP表面（至少75 mm）。（3）在扇形部分施加第二层环氧，确保完全浸润。对于钢板，需小心钻孔穿过CFRP（避免纤维损伤），并用指定扭矩拧紧螺栓——通常使用软垫圈保护复合材料。质量控制包括锚栓拉拔测试（优选混凝土锥体破坏模式）以及环氧浸润目视检查。
规范合规与设计建议
大多数国际规范（如ACI 440.2R、fib Bulletin 14）认可机械锚固作为提高CFRP有效应变的方法，用于抗弯和抗剪加固。然而，它们强调必须通过测试或已建立模型验证锚栓承载力。设计人员应对锚栓强度考虑折减系数（通常为0.50–0.75）以计入安装变异性。使用锚栓时，CFRP设计应变可提高至极限拉应变的70–80%，但绝不能超过导致原构件混凝土压碎或剪切破坏的应变。此外，确保锚固系统与胶粘剂系统相容，且CFRP本身能够承受局部应力而不在锚固点过早断裂也至关重要。
结语
机械锚固是一种成熟的技术，可充分发挥CFRP加固体系的潜力，特别是在基材条件较差或需要高强度利用时。通过选择合适的锚固类型——片材用钉销锚栓、板材用钢板、薄层板用沟槽细节——并遵循正确的设计和安装程序，工程师可以显著延缓剥离并提升结构性能。始终参考当前规范条款，如有疑问，进行代表性测试以验证特定应用中的锚栓承载力。